3月17日 自動(dòng)控制發(fā)展的歷程 王廣雄

    主講人簡(jiǎn)介

    王廣雄，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授。1953年從上海考入哈爾濱工業(yè)大學(xué)，畢業(yè)后留校任教，是我國自動(dòng)控制領(lǐng)域的著名專家。發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，出版專業(yè)著作數(shù)本。

    內(nèi)容簡(jiǎn)介

    我今天的講座就是講自動(dòng)控制的發(fā)展，從開始階段的發(fā)生到形成一個(gè)控制理論，講整個(gè)這個(gè)進(jìn)程。我們今天主要把這個(gè)過程，怎么從個(gè)別的技術(shù)最后形成一門學(xué)科，這個(gè)學(xué)科分成幾個(gè)階段，給大家介紹了一下。

    自動(dòng)控制是指機(jī)器或裝置在無人干預(yù)的情況下自動(dòng)進(jìn)行操作，它是圍繞著工業(yè)生產(chǎn)的需要而形成和發(fā)展起來的，已廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)方面。自動(dòng)控制我比較是有這么一個(gè)觀點(diǎn)：你不能光從搞控制的人來說，我能想出一些方向，我就指給你往前走，我能解決你好多問題。我舉例子來說，瓦特的離心調(diào)速器，這個(gè)控制系統(tǒng)，是先有調(diào)速器，先有調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)不穩(wěn)定了，出了問題去解決它。就是說首先是技術(shù)推進(jìn)它的，這是一個(gè)大方向。自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展是受到當(dāng)時(shí)很多技術(shù)的影響，受到好多的一些知識(shí)的積累，各方面的知識(shí)積累，受到啟發(fā)，才最終發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。

    所以我的想法，你從大的來說，這個(gè)控制首先應(yīng)該是工業(yè)上有需要，有工作基礎(chǔ)才想出來的。所以我總覺得呢，我都要跟著工業(yè)發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)程，一點(diǎn)一點(diǎn)往前進(jìn)。上面就是我主要介紹的一些內(nèi)容，我這里要說的呢，就是這里邊包括一些年份，有些事實(shí)，這個(gè)都是有據(jù)可查的，不是我瞎說的。但是這里邊對(duì)人的評(píng)論，一些觀點(diǎn)可能就是我的，所以假如有說錯(cuò)的希望大家批評(píng)指正。我主要介紹的內(nèi)容就這些，謝謝大家。

    全文

    我今天的講座就是講自動(dòng)控制的發(fā)展。從開始階段的發(fā)生到形成一個(gè)控制理論，講整個(gè)這個(gè)進(jìn)程。我們講自動(dòng)控制就是指這樣的反饋控制系統(tǒng)，這是有一個(gè)控制器跟一個(gè)控制對(duì)象組成的，把這個(gè)控制對(duì)象的輸出信號(hào)把它取回來，測(cè)量回來以后跟所要求的信號(hào)進(jìn)行比較。根據(jù)這誤差告訴控制器，這就是機(jī)器內(nèi)部的工作了。讓控制器完成這個(gè)控制作用，使得這個(gè)偏差消除或者說使得控制對(duì)象的輸出跟蹤我所需要的要求的信號(hào)。控制對(duì)象的輸出量一般來說都是一個(gè)物理量，比如說我控制一個(gè)機(jī)器的轉(zhuǎn)速，就是需要把速度測(cè)量出來，才能進(jìn)行控制。

    自動(dòng)控制系統(tǒng)，從一開始出現(xiàn)的時(shí)候，大家假如接觸到這門學(xué)科的話，可能都知道是瓦特的離心調(diào)速器。這是離心調(diào)速器的幾種方案的示意圖，什么叫離心調(diào)速器呢？就是有兩個(gè)飛球，一轉(zhuǎn)起來以后，因?yàn)殡x心力，飛球就往外脹。飛球脹開以后，這個(gè)下面的套筒就往上升，這個(gè)套筒在移動(dòng)，就帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，這是最早的瓦特的離心調(diào)速器。

    實(shí)際上這個(gè)離心調(diào)速器不是瓦特發(fā)明的，一般我們叫瓦特的離心調(diào)速器，它實(shí)際上不是瓦特的發(fā)明。這是什么呢？就是在那個(gè)時(shí)期，大家看到風(fēng)力磨坊就是相當(dāng)于離心調(diào)速器的那個(gè)飛球，實(shí)際上在那個(gè)時(shí)候，已經(jīng)有這樣的調(diào)速器。瓦特是發(fā)明了蒸汽機(jī)，用了這樣的一個(gè)調(diào)速器，但是現(xiàn)在很多人都愿意把這個(gè)離心調(diào)速器，掛在瓦特的名下。所以一般的書上，大家看到的是瓦特的離心調(diào)速器，你要看正式的書，假如材料寫的確切的話，只說1788年前后，不確切說哪一天的年代，因?yàn)椴皇撬l(fā)明的。就是說一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并不是一個(gè)人，就是說瓦特又能發(fā)明蒸汽機(jī)又能發(fā)明調(diào)節(jié)系統(tǒng)，好像什么都是他發(fā)明的，實(shí)際上他也利用了前人的很多知識(shí)的積累。這是1788年，隨后大概有一百年左右的歷史，工業(yè)里邊自動(dòng)控制系統(tǒng)就是個(gè)離心調(diào)速器，當(dāng)時(shí)主要就是個(gè)蒸汽機(jī)，蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，沒有別的類型，后來進(jìn)到二十世紀(jì)，就是出現(xiàn)了飛機(jī)。大家可能知道的，斯佩雷（Sperry）發(fā)明了陀螺，他想辦法把陀螺做成一個(gè)自動(dòng)駕駛儀。

    現(xiàn)在再一個(gè)報(bào)道，就是1925年到1940年之間斯佩雷（Sperry）的那個(gè)工作，這里談的是anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是這樣的。它這個(gè)火力控制，這里一大堆人的地方，這是它主要的核心部分，叫火控指揮儀。火控指揮儀是指什么意思呢？根據(jù)飛機(jī)的方位角、高低角，飛機(jī)在飛還有一個(gè)前置角，打前置角，把這個(gè)呢，控制火炮，告訴火炮。就是這個(gè)地方是它的指揮儀，等到火力控制的地方，這里站了三個(gè)人，當(dāng)時(shí)的術(shù)語叫人工伺服，三個(gè)人，為什么三個(gè)人呢，一個(gè)方位角，一個(gè)高低角，還有一個(gè)引信。因?yàn)樗菚r(shí)候還要算出來，就是要指揮儀算，算出來我炮彈飛到你飛機(jī)的時(shí)候，需要多少時(shí)間。引信就是指一個(gè)定時(shí)器，它撥到可能幾秒鐘以后爆炸，所以需要這三方面的高低角、方位角，再加上定時(shí)爆炸，才能把飛機(jī)打掉。這是1940年前的，這個(gè)是美國的火力控制的情況。但是到真正我們核心搞控制的人來說，火炮控制部分是人工伺服，human servo.這個(gè)就是當(dāng)時(shí)的斯佩雷（Sperry）公司搞的，主要它的工作就是這個(gè)指揮儀。這個(gè)指揮儀怎么工作，大家可以看到，這個(gè)火炮上站著的，圍著指揮儀是一幫人。當(dāng)時(shí)是1940年前后，所以這個(gè)人站在上面都是很危險(xiǎn)的，因?yàn)樯厦鏀橙孙w機(jī)過來，是這么一個(gè)情況。到了1940年以后，火力控制系統(tǒng)發(fā)生很大的變化，你看這上面人已經(jīng)很少了。這個(gè)變化是誰搞的呢？這里有一個(gè)貝爾實(shí)驗(yàn)室里邊的一個(gè)年輕的工程師帕金森（Parkinson），只有29歲。就是一個(gè)一般的技術(shù)員，當(dāng)時(shí)是一般技術(shù)員，他做了一個(gè)夢(mèng)，他這個(gè)夢(mèng)在所有的正式文件里邊都承認(rèn)，他是一個(gè)什么情況呢？這個(gè)帕金森（Parkinson），他就是一個(gè)低職位的工程師，讓他承擔(dān)的任務(wù)是繞電位計(jì)，就是1940年那天晚上他做了一個(gè)夢(mèng)。他夢(mèng)到用電位計(jì)控制的記錄筆也可以控制火炮的發(fā)射，他這個(gè)夢(mèng)就促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。

    好，現(xiàn)在再回過來，我稍微舉兩個(gè)實(shí)際上我們現(xiàn)在要用到的一些例子。大家看到這是硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里邊就是個(gè)伺服系統(tǒng)，大家不要小看這個(gè)伺服系統(tǒng)，硬盤伺服系統(tǒng)里邊高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，定位的精度是一個(gè)微米，在高速旋轉(zhuǎn)的氣流下，這實(shí)際上是擾動(dòng)很大的，要求高精度。這個(gè)利潤(rùn)、產(chǎn)量都非常大，每年幾百萬套。

    下面還有一個(gè)就是日常遇上的汽車的防側(cè)滑的那個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)左邊的那個(gè)圖，就是相當(dāng)于仿真計(jì)算。仿真計(jì)算往上翹的就是一般常規(guī)的汽車，這種工作不是在紙面上做的；右邊的就是照片了，就是實(shí)際上它還是做實(shí)驗(yàn)的，這些都是目前，就是跟我們生活都有關(guān)系的一些控制系統(tǒng)。

    剛才講的純粹是一個(gè)技術(shù)，但是跟技術(shù)配套的理論上，還有一些什么工作。就是我們這里看的是有麥克斯維爾，就是有這幾個(gè)人了。我把這幾個(gè)人的研究介紹一下。蒸汽機(jī)的離心調(diào)速器，剛出來的時(shí)候，大家不知道有反饋的概念，所有的問題都集中在調(diào)節(jié)器本身，一會(huì)兒說你是調(diào)節(jié)器重量太小了，應(yīng)該大一點(diǎn)；一會(huì)兒說這里要有個(gè)彈簧，一會(huì)兒又說這有彈簧也不好；一會(huì)兒說里邊因?yàn)槟Σ亮τ绊懀鸵恢睕]有從反饋系統(tǒng)來考慮，就是單個(gè)孤立的一個(gè)控制器。麥克斯維爾把這個(gè)系統(tǒng)看作調(diào)節(jié)器，跟調(diào)節(jié)對(duì)象合在一起，用微分方程來進(jìn)行研究，這是麥克斯維爾的功勞。

    但是麥克斯維爾，從我們今天來說，就相當(dāng)于停留在理論上。當(dāng)然他當(dāng)時(shí)不完全是純理論，他在實(shí)驗(yàn)室做了個(gè)調(diào)速器，完了進(jìn)行研究，研究了指出這微分方程的特征根在左半面或右半面跟穩(wěn)定有關(guān)系。他正式提出的，但是他解決不了，就是判別的問題，他只能做到三階系統(tǒng)怎么判別。

    1876年，俄國的維斯聶格拉斯基，他是專門搞實(shí)際研究的，他們當(dāng)時(shí)有一種直接作用調(diào)速器。就剛才說的，一會(huì)兒說這個(gè)有問題，一會(huì)兒說那個(gè)問題，老找不到問題，準(zhǔn)備把整個(gè)方案都要放棄了。維斯聶格拉斯基結(jié)合了他當(dāng)時(shí)的蒸汽機(jī)，結(jié)合了他這個(gè)蒸汽機(jī)的特性，就指出來參數(shù)更應(yīng)該是怎么選擇，才能保證穩(wěn)定。維斯聶格拉斯基，就是結(jié)合工業(yè)實(shí)際，大家對(duì)他的評(píng)價(jià)很高，他就解決了當(dāng)時(shí)差不多在一種調(diào)節(jié)器就要下馬的情況，他指出來就是一個(gè)參數(shù)問題，所以他在工業(yè)上，是立了很大的功勞。

    在這個(gè)同時(shí)，1877年，大家學(xué)判據(jù)的，有個(gè)代數(shù)判據(jù)，勞斯代數(shù)判據(jù)，勞斯判據(jù)怎么來的呢？我的記憶里邊，勞斯就是麥克斯維爾的學(xué)生，就可能相當(dāng)于我們現(xiàn)在的博士生了，麥克斯維爾就是給了任務(wù)，你把方程式根的性質(zhì)給我判別一下。最后到1877年，勞斯把這個(gè)拿出來了，勞斯拿出來行列式，得到了獎(jiǎng)，當(dāng)時(shí)叫做亞當(dāng)獎(jiǎng)。在這個(gè)同時(shí)，1895年，胡爾維茨（Hurwitz）也在不同的情況下，不知道勞斯的情況下。因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候的歐洲不像現(xiàn)在學(xué)術(shù)交流這么頻繁，當(dāng)時(shí)沒有什么學(xué)術(shù)交流。我也不知道你到底搞了些什么，所以這基本上是平行的。但是胡爾維茨（Hurwitz）的不一樣，胡爾維茨（Hurwitz）解決的是瑞士達(dá)沃斯電廠的一個(gè)蒸汽機(jī)的一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就用穩(wěn)定性理論來設(shè)計(jì)。

    胡爾維茨（Hurwitz）被認(rèn)為是真正用控制理論，來用到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)例子。所以我現(xiàn)在這里列出來的這四個(gè)人，兩個(gè)人是學(xué)校里的學(xué)究式的，就是麥克斯維爾跟勞斯，但是他的功勞也不能磨滅，維斯聶格拉斯基跟胡爾維茨（Hurwitz），都是實(shí)際上出來的，就解決實(shí)際問題，這是兩個(gè)不同的。但是最后，勞斯，胡爾維茨（Hurwitz），都拿出來，現(xiàn)在都有用的代數(shù)判據(jù)。